[논문]인장과 휨을 동시에 받는 프리스트레스 강선의 굴절인장성능 평가

김진국; 성택룡; 양준모

doi:10.11112/jksmi.2019.23.1.147

인장과 휨을 동시에 받는 프리스트레스 강선의 굴절인장성능 평가
Numerical Study on Wire Strength Under Both Tension and Deflection for Use as Prestressing Steel 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.1, 2019년, pp.147 - 153

김진국 (서울과학기술대학교 건설시스템공학과) , 성택룡 ((주)포스코 구조연구그룹) , 양준모 (계명대학교 토목공학과)

초록
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구조물의 보강을 위해 프리스트레스 강선에는 인장력이 도입되는데 이 강선은 덕트 및 편향장치에 의해서 휨을 동시에 받게 된다. 이와 같이 인장과 휨을 동시에 받는 프리스트레스 강선의 굴절인장성능을 평가하기 위해 강선의 직경, 맨드럴 직경, 맨드럴과 강선 사이 마찰계수를 변수로 하여 총 600종에 대한 굴절인장 변수해석을 실시하였다. 해석 결과, 강선의 직경이 클수록 낮은 굴절인장성능을 나타내었고, 그 영향은 강선 연신율의 증가에 따라 감소하였다. 강선의 굴절인장성능에 대한 맨드럴 직경, 맨드럴-강선 간 마찰계수의 영향은 매우 작게 나타났지만, 맨드럴-강연선 간 마찰계수에 대한 추가 해석 결과 상대적으로 높은 상관성을 보였다. 따라서, 굴절인장성능 확보를 위해서는 충분한 연신율 확보가 우선되어야 하고, 연신율 확보에 제약이 있을 시 적정값까지 강선 직경을 감소시켜야 하겠으며, 강선의 표면조건을 조절하여 강선 간 마찰력을 높여야 할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The prestressing steel wire, which is applied a tension to reinforce the structure, is applied flexure simultaneously by the duct and the deviator. In order to evaluate the deflected tensile performance of the prestressing steel wire subjected to both tensile and flexural stresses, the numerical analysis for 600 cases with variables of wire diameters, mandrel diameters, and friction coefficient between mandrel and steel wire was performed. As the result of analysis, the larger the diameter of the steel wire was, the lower the deflected tensile performance was, and the effect decreased with the increase of the wire elongation. The effect of mandrel diameter and friction coefficient between mandrel and wire on the deflected tensile performance of the wire was very small. But the deflected tensile performance and the friction coefficient between mandrel and strand showed a relatively high correlation. Therefore, it is necessary to make enough large elongation to secure the deflected tensile performance. If there is a restriction on the elongation, it is necessary to reduce the diameter of the steel wire to an appropriate value, and to increase the friction between steel wires by adjusting the surface condition of the steel wire.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Flexure of Prestressing Steel in Anchorage Device
그림 Fig. 2 Parabolic Arrangement of Prestressing Steel in Prestressed Concrete Box Girder Bridge
그림 Fig. 3 Deflected Tensile Test (Kim and Yang, 2018)
그림 Fig. 4 Conceptual Drawing of Wire Bent over a Mandrel
그림 Fig. 5 Material Model for FE Analysis
그림 Fig. 6 FE Simulation Steps of Deflected Tensile Test (Kim and Yang, 2018)
표 Table 1 FE Analysis Cases
그림 Fig. 7 Stress Distribution in Wire
그림 Fig. 8 Load-Displacement Curve of Deflected Tensile Tests of Wire
그림 Fig. 9 Effect of Wire Diameter
그림 Fig. 10 Effect of Mandrel Diameter
그림 Fig. 11 Effect of Friction Coefficient
그림 Fig. 12 Confinement Stress Acting the Center Wire under Tension (Kim et al., 2014)
그림 Fig. 13 Finite Element Model for Strand Analysis (Kim and Yang, 2018)
그림 Fig. 14 Effect of Friction Coefficient for 7-Wire Strand

AI 본문요약
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가설 설정

강재의 탄성계수는200,000MPa로 가정하였으며, 재료모델은 Fig. 5와 같은 Tri-linear 모델을 사용하였다.
5까지 폭넓게 검토하였다. 여기서 강선의 연신율은 21%로 가정하였다.
단순한 검토를 위해 마찰이 없고, 맨드럴과 강선의 접촉면에서 발생하는 수직분력(N)이 강선에 작용하지 않는다고 가정한다면 강선에 발생하는 축력과 휨에 의한 응력은 식 (3)과 같이 계산될 수 있다. 여기서, 재료모델은 Fig.5와 같이 3.5%까지는 변형경화가 발생하고 이후부터는 완전 소성 거동을 한다고 가정하였다. 강선 직경 3mm, 5mm, 7mm 인 경우에 대해 식 (2)와 식 (3)을 이용하여 휨에 의한 표면 응력이 1860MPa에 도달할 때 맨드럴 직경(2r)은 82.

제안 방법

5%로 하고 있으나 실제 실험에서는 일반적으로 6~12% 이상의 연신율이 측정되고 있다 (Kim and Yang, 2018). 본 연구에서는 강선 직경에 대해서 3mm, 5mm, 7mm의 3종, 맨드럴에 대해서 ISO(2010) 보다 작은 직경 강선을 고려하는 것이기에 더 작은 맨드럴 직경 2종을 추가하여 총 5종, 마찰계수를 0.1 부터 0.3 까지 총 4종, 연신율(∊_u)을 3.5% 부터 21% 까지 총 10종을 변수로 설정하였고, 이들에 대한 전체 조합인 600 케이스에 대해 구조해석을 실시하였다 (Table 1).
본 연구에서는 인장과 휨을 동시에 받는 프리스트레스 강선의 굴절인장성능을 평가하기 위해 강선의 직경, 맨드럴 직경, 맨드럴과 강선 사이 마찰계수를 변수로 하여 총 600종에 대한 굴절인장 변수해석을 실시하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
9는 강선 직경에 대한 영향도를 분석한 것으로 y축은 인장강도에 대한 굴절인장강도의 비율(F_a/ F_m , %)로 나타내었다. 연신율이 기본적으로 가장 큰 영향을 주기 때문에 결과를 연신율 별로 구분하여 나타내었다. 연신율이 3.
즉, 강연선의 굴절인장 성능은 강선의 성능과 밀접한 관계가 있음을 확인하였다. 이 연구에서는 기존 연구에서 일부 부분적으로 검토했던 맨드럴 직경과 강선의 직경에 대해 실구조물에서 사용되는 다양한 범위까지 확대하고 나아가 맨드럴과 강선 사이의 마찰계수를 추가 변수로 포함하여 총 600종에 대해 강선의 굴절인장 변수해석을 실시하였다. 이 해석결과로부터 강선의 굴절인장 성능에 대해 강선의 직경, 맨드럴의 직경, 강선-맨드럴 직경비, 강선-맨드럴 마찰계수, 강선 연신율의 영향을 정량화하고, 맨드럴 중심으로의 응력집중 현상을 분석 하여 거동 특성을 설명하였다.
이 연구에서는 기존 연구에서 일부 부분적으로 검토했던 맨드럴 직경과 강선의 직경에 대해 실구조물에서 사용되는 다양한 범위까지 확대하고 나아가 맨드럴과 강선 사이의 마찰계수를 추가 변수로 포함하여 총 600종에 대해 강선의 굴절인장 변수해석을 실시하였다. 이 해석결과로부터 강선의 굴절인장 성능에 대해 강선의 직경, 맨드럴의 직경, 강선-맨드럴 직경비, 강선-맨드럴 마찰계수, 강선 연신율의 영향을 정량화하고, 맨드럴 중심으로의 응력집중 현상을 분석 하여 거동 특성을 설명하였다.
6mm 크기로 요소를 나누었다. 한편, 길이방향으로는 맨드럴과 닿지 않는 부분에 대해서는 20mm로, 맨드럴과 닿는 부분에 대해서는 약 1mm 내외로 설정하였으며 수렴성을 고려하여 일부 모델에 대해서는 크기를 조금씩 조정하였다. 강재의 탄성계수는200,000MPa로 가정하였으며, 재료모델은 Fig.

대상 데이터

기본적인 모델링 조건은 꼬임 형상을 갖는 강연선이라는 것을 제외하고 이 연구의 모델링 조건과도 동일하다. 강연선은 심선과 측선의 직경이 각각 5.35mm 와 5.23mm를 가지며, 강연선 꼬임 간격에 대해서는 190m, 220mm, 250mm, 280mm을 모두 고려하였다. 강재 간의 마찰계수에 대해서는 0.

이론/모형

구조해석에는 ABAQUS Ver. 6.12 (Abaqus, 2000)이 사용되었으며, 강선과 맨드럴은 모두 8개의 노드를 갖는 솔리드요소 (C3D8R)를 적용하였다. 맨드럴은 직경에 관계 없이 요소 크기를 약 2.
5와 같은 Tri-linear 모델을 사용하였다. 기본적인 해석 모델은 Kim and Yang (2018)의 해석과 동일한 모델을 사용하였으며, 해석모델에 대한 상세와 실물 실험을 통한 해석모델의 검증은 참고문헌 (Kim and Yang, 2018) 에서 확인할 수 있다. 구조해석은 다음과 같이 3단계로 이루어졌다 (Fig.
이에 대한 평가를 위해 Kim and Yang (2018)의 FEM 해석 모델(Fig. 13)을 이용하여 강연선(7-wire strand)에 대한 추가 구조해석을 실시하였다. 기본적인 모델링 조건은 꼬임 형상을 갖는 강연선이라는 것을 제외하고 이 연구의 모델링 조건과도 동일하다.

성능/효과

(1) 강선의 직경이 클수록 더 큰 응력 집중이 발생하여 낮은 굴절인장성능을 나타내었고, 강선 직경의 영향은 강선 연신율의 증가에 따라 감소하였다. 따라서, 굴절인장성능 확보를 위해서는 충분한 연신율 확보가 우선되어야 하고, 연신율 확보에 제약이 있을 시 적정값까지 강선 직경을 감소시켜 나가야 할 것이다.
(2) 강선의 굴절인장성능에 대한 맨드럴 직경의 영향은 5% 이내로 매우 작게 나타났다. 따라서, 굴절인장시험 시 ISO 15630-3 (2010)에서 제시한 맨드럴 직경을 선택하여야 하겠다.
(3) 맨드럴과 강선 사이 마찰계수가 강선 굴절인장성능에 미치는 영향은 2% 이내로 매우 작은 것으로 평가되었다. 그러나, 여러 강선을 꼬아서 만든 강연선에 대한 추가 해석 결과 상대적으로 높은 상관성을 보였고 마찰계수가 증가할수록 굴절 인장 감소율이 감소하는 것으로 나타났다.
(3) 맨드럴과 강선 사이 마찰계수가 강선 굴절인장성능에 미치는 영향은 2% 이내로 매우 작은 것으로 평가되었다. 그러나, 여러 강선을 꼬아서 만든 강연선에 대한 추가 해석 결과 상대적으로 높은 상관성을 보였고 마찰계수가 증가할수록 굴절 인장 감소율이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 높은 마찰계수로 인해 외측 강선들의 내측 강선 구속이 증가하고 휨강성이 보다 향상되기 때문인 것으로 판단된다.
14의 강연선에 대한 해석결과는 상대적으로 높은 상관성을 보이는 것으로 나타났다. 마찰 계수가 0.1에서 0.3으로 변할 때 강도는 약 4~5% 증가하였고, 마찰계수가 0.1에서 0.5로 변할 때 강도는 약 5~7% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 강연선의 굴절인장 성능을 개선하고자 할 때 강선의 표면조건을 조절하여 강선 간 마찰력을 높이고 그로인해 강선들의 일체 거동을 유도하는 것도 개선안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
Kim and Yang (2018)은 사장교용 강연선에 대해 꼬임 피치, 연신율, 왁스와 HDPE 유무에 따른 굴절인장 시험을 실시하였으며, 나아가 강연선을 구성하는 각 강선의 직경 차이, 강선의 강도 등 추가 변수에 대해 비선형 해석을 실시하여 굴절인장 성능의 특성에 대한 분석을 실시하였다. 분석 결과, 검토 변수 중 강선의 연신율이 가장 중요한 영향인자이며, 비교적 그 검토 범위가 크지는 않았지만 강연선 전체 직경이 커짐에 따라 굴절인장 성능이 감소함을 확인하였다.
앞선 해석 결과에서 강선과 맨드럴의 마찰계수 상관성이 거의 없었던 것과는 달리, Fig. 14의 강연선에 대한 해석결과는 상대적으로 높은 상관성을 보이는 것으로 나타났다. 마찰 계수가 0.
5%일 경우 강선의 직경이 3mm에서 7mm로 증가할 때 강도가 약 15% 감소한 반면, 연신율이 15% 이상인 경우에는 강도 감소가 약 5% 이내로 나타났다. 이 결과에서는 연신율 약 15%를 전후해서 직경에 의한 영향도가 크게 차이가 날 수 있음을 알 수 있다. 따라서 직경에 관계없이 굴절인장 성능을 확보하기 위해서는 충분한 연신율을 확보해야하며, 연신율 확보에 제약이 있을 경우 강선의 직경 선정 시 굴절인장성능을 고려하여 적절한 값으로 직경을 선정해야 할 것이다.
이 연구들로부터 강연선을 구성하는 강선의 연신율과 맨드럴의 직경 또는 강선과 맨드럴 간의 상호작용이 강연선의 굴절인장 성능에 대한 주요 영향인자임을 확인하였다. 즉, 강연선의 굴절인장 성능은 강선의 성능과 밀접한 관계가 있음을 확인하였다.
이 연구들로부터 강연선을 구성하는 강선의 연신율과 맨드럴의 직경 또는 강선과 맨드럴 간의 상호작용이 강연선의 굴절인장 성능에 대한 주요 영향인자임을 확인하였다. 즉, 강연선의 굴절인장 성능은 강선의 성능과 밀접한 관계가 있음을 확인하였다. 이 연구에서는 기존 연구에서 일부 부분적으로 검토했던 맨드럴 직경과 강선의 직경에 대해 실구조물에서 사용되는 다양한 범위까지 확대하고 나아가 맨드럴과 강선 사이의 마찰계수를 추가 변수로 포함하여 총 600종에 대해 강선의 굴절인장 변수해석을 실시하였다.
9mm로 변하더라도 굴절인장 강도는 약 5% 이내로 변동폭이 매우 작게 나타났다. 즉, 맨드럴의 직경은 굴절인장강도에 대한 영향이 거의 없는 것으로 평가되었다. 이는 2장의 이론적 분석내용, 4.
한편, 강선이 맨드럴에 닿은 후 점차 휨이 증가하면서 맨드럴의 곡률반경과 유사하게 접근하고는 있지만 극한상태에 도달할 때까지 맨드럴 곡률과 동등한 수준으로 휨변형이 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이는 2장의 이론적 분석내용과 같이 맨드럴 곡률에 의한 휨응력이 매우 크기 때문에 그 곡률에 도달하지 못하는 것이며, 맨드럴 접촉면에서의 수직분력이 추가적인 국부응력을 유발하여 합성응력이 커졌기 때문으로 판단된다.

후속연구

5로 변할 때 강도는 약 5~7% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 강연선의 굴절인장 성능을 개선하고자 할 때 강선의 표면조건을 조절하여 강선 간 마찰력을 높이고 그로인해 강선들의 일체 거동을 유도하는 것도 개선안이 될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프리스트레스 강재의 효율적인 배치를 위해 어떻게 설치되는가?	프리스트레스 강재는 구조물에 설치되어 있는 정착장치에 고정되며, 효율적인 배치를 위해 정착장치와 정착장치 사이에는 다발형태로 하나로 모아져 강재 총 단면적의 2~3배 이내의 단면적을 갖는 덕트 내에 설치된다. 구조물의 보강을 위해 프리스트레스 강재에는 인장력이 도입되는데 이 강재는 정착 장치를 지나 덕트에서 모아지는 과정에서 Fig.
	프리스트레스 강재란?	프리스트레스 강재는 사장교, 프리스트레스트 콘크리트 교량, LNG 저장탱크 등 대형 구조물의 보강을 위해 사용되는 구조재료로 건설 구조물에서 일반적으로 사용되는 강재인 철근이나 후판과 비교하여 약 4배인 1,860~2,400MPa의 인장강도를 가지고 있다. 프리스트레스 강재는 적용되는 구조물의 종류에 따라서 강선을 여러개 꼬아서 만든 강연선 형태로 사용되거나 여러 개의 강선을 평행하게 배치하여 다발로 만든 케이블 형태로 사용된다.
	굴절인장성능 확보를 위해서는 충분한 연신율 확보가 우선되어야 하고, 연신율 확보에 제약이 있을 시 적정값까지 강선 직경을 감소시켜야 하겠으며, 강선의 표면조건을 조절하여 강선 간 마찰력을 높여야하는 이유는?	해석 결과, 강선의 직경이 클수록 낮은 굴절인장성능을 나타내었고, 그 영향은 강선 연신율의 증가에 따라 감소하였다. 강선의 굴절인장성능에 대한 맨드럴 직경, 맨드럴-강선 간 마찰계수의 영향은 매우 작게 나타났지만, 맨드럴-강연선 간 마찰계수에 대한 추가 해석 결과 상대적으로 높은 상관성을 보였다. 따라서, 굴절인장성능 확보를 위해서는 충분한 연신율 확보가 우선되어야 하고, 연신율 확보에 제약이 있을 시 적정값까지 강선 직경을 감소시켜야 하겠으며, 강선의 표면조건을 조절하여 강선 간 마찰력을 높여야 할 것이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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